p Materiais em nanoescala apresentam características extraordinárias, qualidades de um bilionésimo de metro que transformam tudo, desde a geração de energia até o armazenamento de dados. Mas embora uma célula solar nanoestruturada possa ser fantasticamente eficiente, essa precisão é notoriamente difícil de ser alcançada em escalas industriais. A solução pode ser a automontagem, ou moléculas de treinamento para se costurarem em configurações de alto desempenho. p Agora, cientistas do Laboratório Nacional de Brookhaven do Departamento de Energia dos EUA desenvolveram uma técnica baseada em laser para executar automontagem em nanoescala com facilidade e eficiência sem precedentes.

p "Projetamos materiais que se constroem sozinhos, "disse Kevin Yager, um cientista do Centro de Nanomateriais Funcionais de Brookhaven (CFN). "Nas condições certas, as moléculas irão naturalmente se encaixar em uma configuração perfeita. O desafio é dar a esses nanomateriais o impulso de que precisam:quanto mais quentes, mais rápido eles se movem e se acomodam na formação desejada. Usamos lasers para aumentar o calor. "

p O pesquisador de pós-doutorado do Laboratório de Yager e Brookhaven Pawel Majewski construiu uma máquina única que varre uma linha de laser focada em uma amostra para gerar picos intensos e instantâneos de temperatura. Esta nova técnica, denominado Laser Zone Annealing (LZA), conduz a automontagem em taxas mais de 1, 000 vezes mais rápido do que os fornos industriais tradicionais. Os resultados são descritos no jornal ACS Nano .

p "Criamos estruturas automontadas extremamente uniformes em menos de um segundo, "Majewski disse." Além da velocidade extraordinária, nosso laser também reduziu os defeitos e degradações presentes em materiais aquecidos em forno. Essa combinação torna o LZA perfeito para transportar descobertas de laboratório de pequena escala para a indústria. "

p Os cientistas prepararam os materiais e construíram o instrumento LZA no CFN. Eles então analisaram amostras usando microscopia eletrônica avançada no CFN e espalhamento de raios-X na agora aposentada Fonte de Luz Síncrotron Nacional (NSLS) de Brookhaven - ambas as instalações do DOE Office of Science User.

p "Foi extremamente gratificante ver que nossas previsões eram precisas - os enormes gradientes térmicos levaram a uma aceleração correspondentemente enorme!" Yager disse.

p Fornos versus lasers

p Imagine preparar um bolo complexo, mas em vez de assar no forno, uma enxurrada de lasers o aquece até a perfeição em um instante. Além disso, as condições de cozimento corretas farão com que os ingredientes se misturem em um prato perfeito. Esta receita em nanoescala atinge algo igualmente extraordinário e muito mais impactante.

p Os pesquisadores se concentraram nos chamados copolímeros em bloco, moléculas contendo dois blocos ligados com diferentes estruturas e propriedades químicas. Esses bloqueios tendem a se repelir, que pode conduzir a formação espontânea de estruturas em nanoescala complexas e rígidas.

p "O preço de suas excelentes propriedades mecânicas é a lenta cinética de sua automontagem, "Majewski disse." Eles precisam de energia e tempo para explorar as possibilidades até encontrar a configuração certa. "

p Na auto-montagem de copolímero em bloco tradicional, os materiais são aquecidos em um forno selado a vácuo. A amostra é tipicamente "cozida" por um período de 24 horas ou mais para fornecer energia cinética suficiente para que as moléculas se encaixem - tempo demais para a viabilidade comercial. A longa exposição a altas temperaturas também causa degradação térmica inevitável, deixando rachaduras e imperfeições em toda a amostra.

p O processo LZA, Contudo, oferece picos agudos de calor para excitar rapidamente os polímeros sem a energia sustentada que danifica o material.

p "Em milissegundos, toda a amostra está perfeitamente alinhada, "Disse Yager." À medida que o laser atravessa o material, os picos térmicos localizados realmente removem defeitos no filme nanoestruturado. LZA não é apenas mais rápido, produz resultados superiores. "

p LZA gera temperaturas superiores a 500 graus Celsius, mas os gradientes térmicos - variações de temperatura ligadas à direção e localização em um material - podem chegar a mais de 4, 000 graus por milímetro. Embora os cientistas saibam que temperaturas mais altas podem acelerar a automontagem, esta é a primeira prova de aprimoramento dramático por gradientes extremos.

p Construído do zero

p "Anos atrás, observamos uma dica sutil de que gradientes térmicos podem melhorar a automontagem, "Yager disse." Fiquei obcecado com a ideia de criar gradientes cada vez mais extremos, o que levou à construção dessa configuração de laser, e o pioneirismo de uma nova técnica. "

p Os pesquisadores precisavam de uma alta concentração de conhecimento técnico e instalações de classe mundial para mover o LZA da proposta à execução.

p “Só no CFN poderíamos desenvolver essa técnica tão rapidamente, "Majewski disse." Poderíamos fazer prototipagem rápida de instrumentos e preparação de amostras com a sala limpa no local, maquina de compras, e laboratório de processamento de polímeros. Em seguida, combinamos a microscopia eletrônica CFN com estudos de raios-X no NSLS para uma avaliação imbatível do LZA em ação. "

p Adicionado Yager, "A capacidade de fazer novas amostras no CFN e depois atravessar a rua para caracterizá-las em segundos no NSLS foi a chave para esta descoberta. A sinergia entre essas duas instalações é o que nos permitiu iterar rapidamente para um design otimizado."

p Os cientistas também desenvolveram uma nova técnica de termometria de superfície em microescala chamada análise de marca de fusão para rastrear o calor exato gerado pelos pulsos de laser e ajustar o instrumento de acordo.

p "Gravamos alguns filmes inicialmente, antes de aprendermos as condições operacionais corretas, "Majewski disse." Foi realmente emocionante ver as primeiras amostras sendo rasterizadas pelo laser e, em seguida, usando NSLS para descobrir exatamente o que aconteceu. "

p Futuro da técnica

p O LZA é a primeira máquina desse tipo no mundo, mas sinaliza um passo dramático na expansão da nanotecnologia meticulosamente projetada. O laser pode até ser usado para "desenhar" estruturas na superfície, o que significa que as nanoestruturas podem ser montadas em padrões bem definidos. Este controle de síntese incomparável abre a porta para aplicações complexas, incluindo eletrônicos.

p "Não há realmente nenhum limite para o tamanho de uma amostra que esta técnica pode manipular, "Yager disse." Na verdade, você pode executá-lo no modo rolo a rolo - uma das tecnologias de fabricação líderes. "

p Os cientistas planejam desenvolver ainda mais a nova técnica para criar estruturas multicamadas que podem ter impactos imediatos nos revestimentos anti-reflexos, células solares melhoradas, e eletrônica avançada.